单总线多点测温系统的器件遗漏研究*

陈起传，余小平，龙小翠

(成都理工大学信息科学与技术学院，成都610059)

CHEN Qichuan，YUXiaoping*，LONGXiaocui

(Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China)

在20 m长的单总线上，多点实时测温系统接入10组DS18B20器件对样品进行温度测量。结果发现主机漏读了总线上离主机最远的温度器件的片序列号，而其余9组都能被获取，并且能正确的读回测量温度值。器件漏读的现象可能是总线分布电容和电阻引起的信号衰减所致;也可能是总线的传输时延，使器件信息传输主机时，主机漏读温度器件信息引起;还可能是单总线传输线路过长、器件过多，使得总线驱动不足引起信息错误所导致［1］。然而提高I/O驱动之后，发现器件遗漏仍然存在，说明提高I/O驱动能力并没有解决器件遗漏的问题［2］。为了解决测温器件的遗漏问题，本文通过理论分析和实验说明传输延时和分布电容、电阻对单总线器件遗漏的影响。

1 系统方案介绍

单总线多点实时温度测量系统采用C8051F340为主控制器，通过循环扫描读取器件测量温度值，进而使用UART通信接口将采集的温度数据进行封装后上传上位机。上位机对接收到的温度信息进行误差处理后在上位机显示并记录，实现多点温度测量的实时监控［3－4］。单总线多点实时温度测量系统框图如图1所示。

图1 多点温度采集系统框图

2 单总线温度器件遗漏原因分析

2．1 单总线时序分析

从图2可得主机从总线上获取温度器件信息时，所有温度器件向主机发送数据在15μs内完成，15μs时间片之后总线上的器件会释放总线。当主机拉低总线后，写命令在总线上的传输延时导致总线上任意两个温度器件不能同时刻响应主机。如果两个相邻温度器件的相距太远，它们的数据不能同时传输到主机，就会发生漏读的现象。

图2 主机读取总线时间片

假设总线上相邻两个温度器件到主机的距离分别为0和S。主机在拉低总线15μs内读总线，如果温度器件数据都能被主机读取到，那么距离为S的温度器件数据传到主机的时间t应满足下式:

假设响应，数据稳定，主机采样时间分别为:

μs。信号在导线上的传输速率为v=I/nqs，那么可得不漏读数据时两个温度器件间的最大距离为:

导体中电流的传输速率v接近光速，所以理论上任意两个相邻温度器件的最大相距为Smax=3．0×108×6×10－6=1．8 km。要使主机不遗漏的获取温度器件，必须满足任意两个温度器件间的距离满足S＜Smax。此系统中单总线的长度远小于Smax，所以只要主机读总线的时间接近15μs，就不会发生器件漏读［5］。

2．2 单总线信号衰减分析

主机3．3 V高电平信号在总线上传输时，因衰减和干扰很可能下降到温度器件的判决门限电平以下，导致温度器件收到主机所发的高电平被判为低电平，使单总线上离主机较远的器件错误响应主机的指令，从而发生器件遗漏。信号衰减与导线电阻和分布电容有关系。单总线导线电阻R如下:

由式(3)可得:导线长度L越长，电阻R越大，电压在总线上传输时总线的分压就越大，对于温度器件而言，信号的衰减也越大。

总线采用信号线与地线平行的连接方式的等效分布电容，如图3所示。

图3 单总线分布电容模型

图中C1…Cn为单总线上n个器件对应的分布电容，器件分布电容一般为固定数值。C为导线对地的分布电容，由式(4)可得:

其中D为信号线到地线的距离，d为传输数据线的直径，L为传输数据线的长度，ε0为真空介电常数。可以看出采用同种导线时，总线长度L越长C越大，接入器件数量n越大，分布电容C1∥…∥Cn的值越大。所以单总线上接入的器件越多，总线长度越长，总线的分布电容就越大。因而，到达主机距离最远的温度器件对地的交流阻抗越小，器件的交流分压就越小，因此到达温度器件时信号衰减就越大［6］。

由于单总线的长度越长导线的电阻和分布电容越大，信号在传输线上的衰减就越快，导致高电平数据传输到较远的温度器件时，信号衰减到温度器件判决门限电平以下，致使其接收到的主机指令发生错误，导致较远温度器件无法响应主机，发生遗漏现象［7］。

3 单总线器件遗漏解决方法

为解决器件遗漏的问题，需要采取措施使主机数据传输到温度器件时，不至于衰减到温度器件判决门限以下。下面提出两个解决办法:一个是改变单总线的网络拓扑结构;另一个是提高总线高电平的电压幅值。

3．1 改变总线的网络拓扑结构

总线型的网络拓扑结构要求所有的器件接在一条导线上，增加器件数量时，需要增加总线的长度。这不仅会使离主机较远的器件收到的主机信号严重衰减，而且不利于多点分散式温度测量布线的实现。改变总线的拓扑结构，不仅可以减小总线长度增加带来的总线电阻分压，还能够在一定程度上提高温度测量的灵活性。

如图4(a)所示，星型网络拓扑结构由多条总线型支路组成，所以星型网络拓扑结构总的导线电阻相当于单总线型n条通路并联，即R=R1∥…∥Rn。因此星形网络拓扑结构在很大程度上减小了导线电阻引起的信号衰减问题，从而减缓总线型拓扑结构的器件遗漏现象。同时，星型网络拓扑结构对实现四周分散型的多点温度测量也很方便，且每条导线都可以达到总线型时的长度和接入从机的数量;环形网络拓扑结构如图4(b)所示，是将主机和温度器件连在一个环形上，把总线型拓扑结构的首尾相连。与总线型网络拓扑相比总线的长度不变，但是最远的器件的总线长度减小了一半，因而总线上的导线电阻变成R/2，所以信号衰减得到一定程度的改善，能接入更多的器件。同时环型网络拓扑结构也易于实现分布于四周的多点温度测量硬件布线。

图4 星型和环形网络拓扑结构

但是改变网络拓扑结构只能一定程度上减小总线的传输电阻，并不能解决因器件数量的增多引起总线分布电容增加而导致的信号衰减问题。所以提出将3．3 V电平转化为5 V接到总线上增加信号衰减的冗余度的解决方法。

3．2 单总线电平转化电路

为了使单总线上的信号从主机传输到从机时，信号衰减后不低于从机的判决门限，根据主机I/O设计一个合适的双向电平转换电路将主机的3．3 V电压转换成5 V后再接到单总线上，将总线上5 V信号转换成3．3 V后再传送给主机。这样总线信号衰减的冗余度增加，总线长度加长、器件增多时，高电平信号不会很快衰减到判决门限以下。双向电平转换电路由如图5(a)所示，5 V电平经过一个迟滞比较器，再经过一个与非门输出3．3 V;而3．3 V通过一个与非门之后再经过一个三态缓冲器输出5 V电平。双向电平转换电路本质是依靠与非门的OC门输出实现的，同时为保障电平转换前后的一致性，在高电平变为低电平端增加了非门电路，在低电平变为高电平端也增加了非门［8］。双向电平转换电路工作频率在1 M时的双向信号输出波形如图5(b)所示。

图5 双向电平转化电路设计

3．3 单总线遗漏改善结果

实验可得总线上接入10个温度器件时，交流信号电平衰减和器件到主机的距离关系如图6所示。

图6 总线接入10个器件高电平衰减情况

从图6中实验记录结果可以看出，总线型拓扑结构上接入10个器件时，总线长度增加到20 m时，高电平已经下降到3 V以下;而环形拓扑结构总线增加到20 m时，电平还未衰减到3 V。所以，将系统总线首尾相接后，主机可以获得所有从机器件的序列号和温度信息。但是总线的长度变得更长后，改变网络拓扑结构，已经不能够解决信号衰减的问题。而从测试结果可知，在总线上接入10个器件时，总线长度增加到50 m后，5 V电平未衰减到3 V以下，所以在单总线的主机和温度器件之间增加双向的电平转换电路，可以在保证温度器件不被遗漏的情况下，很大程度上提高总线长度和接入器件数量。

4 结束语

系统以C8051F340为下位机实现了PC机对多点温度实时测量。在系统实现过程中发现，由于I/O口信号在单总线上的衰减，致使距离主机较远的温度器件收到的高电平信号低于DS18B20的判决门限，从而导致主机指令无法正确的传输到温度器件，产生器件遗漏的现象。实验发现改变单总线的网络拓扑结构可以减小导线电阻，可以在一定程度上解决遗漏问题，且能提高单总线多点测温布线灵活性和实用性。而总线加长、器件增多时，改变网络拓扑结构对于减小信号衰减已不明显，在主机和总线器件之间增加双向电平转换电路，可以在温度器件不被遗漏，且不改网络拓扑结构的情况下，将10个从机器件的传输距离增加到至少50 m。系统研究已经解决生物冷点温度测试实验中多点温度采集的问题，同时也可以应用到农业生产大棚、仓库温度管理等系统之中解决多点长线的温度采集问题。

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